2장 전자 방출

1. 2장 전자 방출 송태권 2009년 1학기

2. Chapter 2Electron Emission • 2.1 Introduction • 2.2 Photoemission • 2.3 Photocathods • 2.4 Thermal Electron Emission • 2.5 Thermal Electron Emitters • 2.6 Secondary Emission • 2.7 Schottky Effect • 2.8 Electron Field Emission

3. 개요 • 금속에서는 전자가 자유롭게 움직여서 전기를 통한다. • 열에너지가 금속의 표면을 벗어나게 하나 대체로 원자나 • 양이온의 전기장에 묶여 있다. • 이 에너지를 일함수(work function, ef)라고 한다. • 금속의 일함수는 표면 구조의 물리, 화학적 변화에 의하여 • 변할 수 있다. • 금속 표면을 벗어나는 전자의 개수는 온도에 의존한다. • Richardson-Dushman 방정식은 열에너지에 의한 전자의 방출에 • 대하여 기술한다. • 광전효과: 전자는 전자기파(광자)의 흡수를 통해서도 금속 표면 • 으로부터 벗어날 수 있다.

4. 개요 • 이차 전자 방출: 입사된 전자의 운동 에너지를 고체 내의 전자 • 들에게 전함으로써 전자가 방출 • 충분히 높은 전기장은 금속 표면에서 일함수를 줄일 수 있다. • 매우 높은 전기장에서는 에너지 장벽이 매우 좁아져서 터널 • 현상으로 전자가 방출될 수 있다.

5. 2.1 도입 광전 효과: 헤르쯔(1887) 일함수를 연구하는 좋은 방법

6. 2.2 광방출(Photoemission)

7. 전자가 방출되는 정도(광전류 I )는 빛의 세기에 의존하지, 전압 즉 최대 운동에너지(KEmax = eV0)에 의존하는 것이 아니다.

8. 아인슈타인(Einstein) 플랑크의 양자 가설을 이용하여 광전효과 설명

9. KEmax혹은 V0는 빛의 세기에 의존하지 않고, 광전류 I 만 빛의 세기에 의존한다. KEmax혹은 V0는 입사된 빛의 주파수에 의존.

10. 2.3 빛음극(Photocathods) 광전 효율(photoelectric efficiency, photoelectric yield) 하나의 입사 광자에 의하여 나오는 전자의 수 단위 빛의 세기 당 나오는 전류의 세기 좋은 전도체는 높은 빛의 반사율 때문에 광전 효율이 낮다. 광전자가 만들어지는 영역: 10-9m 입사 광자가 들어가는 깊이: 10-6m 광전류에 기여하는 금속 표면 원자들의 층: 약 10 Å

11. 반사율이 너무 높아서 작은 부분만이 방출 과정에 기여 파장이 길수록 광자가 깊이 들어간다. 알칼리 금속의 진동수(파장)에 따른 광전 효율

12. 효율적인 빛음극 물질: 산화물층-금속간 화합물의 다층 빛음극 산화물층과 안티몬 화합물 빛음극은 반도체로서, 전자들이 자유 롭지 않아 입사된 빛에 대한 반사율이 순수 금속 보다 낮다.

13. 2.4 열전자 방출 • 그림 2.1은 온도를 고려하지 않고 0 K 일 때를 보여줌 • 높은 온도에서는 높은 띠에서 열에너지의 분포를 고려 • 적은 수의 전자들이 일함수를 넘어갈 정도의 운동에너지를 가짐 • 온도가 올라갈수록 도망가는 전자들이 많아지고 • 이것이 열전자 방출이다.

14. 필라멘트(F)가 음극(C)를 가열하여 열전자가 튀어나옴

15. 열전류가 많아지면 열전자들 사이의 상호 반발에 의해 양극판(P)에 도달하는 전자가 제한을 받게됨 이렇게 주위에 있는 전자를 공간전하 (space charge) 라고 한다. 그래서 열전류가 포화된다. (saturation) (그림 2.9a)

16. 음극의 온도가 올라가면 더 강한 전자가 방출되고 더 높은 전류에서 포화가 일어난다.(그림 2.9b) 가해 주는 전압을 더 높임으로써 공간 전하의 효과를 극복(2.9c) Richardson-Dushman 방정식 : 공간 전하에 의하여 제한되지 않는 경우의 열전류를 설명 A : 열전자 방출 물질과 관련된 상수 일함수의 온도 의존성 순수 금속의 경우 : ea ~ 10-4eV/K

17. 온도에 따른 일함수의 변화를 알 수 있음 기울기 교점

19. 2.5 열전자 방출기 텅스텐 : 비록 일함수는 크지만(4.5 eV) 녹는점이 높고 증기압이 낮아서 열전자 방출기로 많이 사용 그러나 토륨 산화물(ThO2)의 첨가가 없으면 높은 온도(2000 K) 에서 선축 방향에 수직으로 과도한 알갱이 성장이 생겨서 깨어지기 쉽고, 기계적인 힘을 잃게 된다. 토륨 금속의 일함수(3.4 eV)에 비해서도 토륨이 한층 입혀진 텅스텐의 일함수(2.6 eV)가 더 낮다. 진공 중의 잔류 가스에 위한 화학적인 오염에 지극히 민감하다.

20. Ba 분배자( dispenser) 형 음극 Ba 금속이 깨끗한 열전자 방출면을 만들어 줌

21. 현재 텔레비전 등에서 가장 많이 사용 : 큰 전자 방출 밀도 일함수 ~ 1.0 eV 산화물이 입혀진 음극의 전자 방출 과정은 반도체와 같은 특성을 보이지만 정확한 메커니즘은 아직 잘 알려져 있지 않다.

22. 2.6 이차 방출 높은 운동 에너지의 전자가 금속과 충돌하면서 다시 전자를 방출 이차 전자의 운동에너지는 입사 전자의 운동에너지와 상관없이 약 10 eV

23. 이차 전자 방출 효율(d) = 방출 전자의 수 / 입사 전자의 수 입사 전자의 에너지가 낮으면 적은 수의 전자가 방출될 에너지를 얻는다. 매우 높은 운동에너지를 가지면 전자 빔이 충돌이 일어 나기도 전에 방출기를 통과해 버린다. 이차 전자 방출 효율은 운동에너지에 대하여 최고값을 가진다.

24. 이차 전자가 발생되는 충돌에 의하여 결과적으로 흡수되는데 필요한 자유 전자의 수가 더 많기 때문에 순수한 금속이 합금이나 화합물, 유리에 비하여 최고값이 작아진다. 수직에 대한 입사각이 커질수록 효율증대. 진공 장치에서는 이차 전자 발생을 줄이려고 하나, 광전 증폭기나 텔레비전 카메라 등의 소자에서는 이차 전자 방출을 이용한다.

26. 2.7 쇼트키 효과 전기장을 가하면 공간 전하 효과가 없어짐 높은 전압은 음극의 표면에서 포텐셜-에너지 장벽을 변화시켜 전자 방출을 증가 시킨다. 전기장 E가 가해지면 포텐셜 에너지에 거리 x에 따라 -eEx의 영향을 주게 되고 포텐셜 에너지는 거리 x0에서최대값을 가지게 되고 일함수는 eDf 만큼 줄어들게 된다.

28. 2.8 전자 전기장 방출 전기장이 강하게 되면 포텐셜 장벽이 좁아짐 장벽이 충분히 좁아지면 (약 100 Å) 전자들이 장벽을 통과할 수 있는데 이를 양자 역학적인 터널링 1010V/m 정도의 전기장이 가해지면 영향 이러한 전자 방출은 표면 현상을 연구하는데 사용 이온 전기장 방출 : 반대 방향의 전기장을 가했을 때 원자가 이온화 되어 양이온이 방출

30. <111> <110> <110> <111> <111> [001] <110> <110> <111>

31. 과제 마감 : 2009년 4월 7일 DEFINITIONS 번역 Schottky Effect 문제 풀이: 2.1